CN102145701A - 一种列车碰撞承载吸能部件碰撞阈值实现方法 - Google Patents

Abstract

一种列车碰撞承载吸能部件碰撞阈值实现方法，其特征在于所述实现方法包括：在列车车体的端部设置承载吸能结构；对列车车体端部的承载吸能结构上设置结构开孔，利用该结构开孔来实现碰撞阈值。该列车碰撞承载吸能部件碰撞阈值实现方法通过吸能部件的结构改进实现了列车碰撞时吸能部件碰撞阈值的量化控制。通过对吸能部件的结构改变控制，实现破坏阈值以及结构阈值的可控性，该实现方法设计合理，效果明显，能够用于车体端部承载吸能部件的设计与安装，有效保证列车碰撞的安全吸能保护。

Description

一种列车碰撞承载吸能部件碰撞阈值实现方法

技术领域

本发明属于列车的碰撞吸能安全保护技术，具体的涉及一种通过研究列车端部承载吸能的列车结构，建立的列车承载吸能结构的阈值控制方法。

背景技术

碰撞是列车面临的主要事故风险之一。通过列车结构产生碰撞塑性变形，吸收冲击能量，实现被动安全防护，保护旅客生命安全，降低事故损失，成为近年来的研究热点。

就列车碰撞问题而言，与汽车、飞机等运载工具最大的不同就是，列车由多节车辆编组而成，相邻车辆间通过车钩缓冲装置连接。为实现列车的碰撞吸能安全保护，列车在正常运行时需要有足够的强度和刚度传递纵向力，在发生碰撞时需要迅速产生可控塑性大变形吸收能量，碰撞吸能列车需要同时满足两个条件。其一，在没有发生碰撞事故的列车正常运行及制动情况时，列车结构需要有足够的强度和刚度，满足相应规范规定要求，不允许发生塑性变形及破坏，并具有良好的传递纵向力性能，保证列车运行安全。其二，在较高速下发生碰撞事故时，列车结构需要在预定区域发生破坏，产生塑性大变形，吸收足够冲击动能，保护乘客安全。这就需要研究列车发生破坏的条件，也就是列车碰撞塑性变形破坏阈值。

发明内容

本发明提供了一种列车碰撞承载吸能部件碰撞阈值实现方法，其通过吸能部件的结构改进实现了列车碰撞时吸能部件碰撞阈值的量化控制。通过对吸能部件的结构改变控制，实现破坏阈值以及结构阈值的可控性，该实现方法设计合理，效果明显，能够用于车体端部承载吸能部件的设计与安装，有效保证列车碰撞的安全吸能保护。

本发明所采用的技术方案如下：

一种列车碰撞承载吸能部件碰撞阈值实现方法，其特征在于所述实现方法包括：

在列车车体的端部设置承载吸能结构；

对列车车体端部的承载吸能结构上设置结构开孔，利用该结构开孔来实现碰撞阈值。

具体实施方式中，所述实现方法进一步包括：

根据轴向压缩下应力集中系数与开孔的长径比、孔径与板宽比关系，控制所述结构开孔的数量、孔径、长度以及承载吸能结构的厚度的板厚，控制碰撞阈值。

一实施方式中，所述实现方法进一步包括：

将结构开孔与车体端部的专用吸能部件组合使用，实现碰撞阈值。

另一实施方式中，所述组合使用包括：

结构开孔设置在开孔箱型结构上形成开孔纵向吸能结构，该开孔纵向吸能结构布置在缓冲梁与底架端梁之间，所述专用吸能部件为六方格蜂窝状吸能结构，该六方格蜂窝状吸能结构的一端固结在底架端梁上，另一端与缓冲梁间隙设置。

该列车碰撞承载吸能部件碰撞阈值实现方法通过吸能部件的结构改进实现了列车碰撞时吸能部件碰撞阈值的量化控制。通过对吸能部件的结构改变控制，实现破坏阈值以及结构阈值的可控性，该实现方法设计合理，效果明显，能够用于车体端部承载吸能部件的设计与安装，有效保证列车碰撞的安全吸能保护。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的阐述。

附图说明

图1A是本发明具体实施方式中列车车体端部的部分结构示意图；

图1B是图1中I部位承载吸能部件的部分结构示意图；

图2是本发明具体实施方式中一吸能部件开孔箱型梁的开孔结构示意图；

图3是图1的应力集中系数与开孔结构对应关系图；

图4A、图4B和图4C是图1中的开孔箱型梁结构的撞击序列变形图；图4E为开孔箱型结构的撞击力-时间曲线，图4F为六方格蜂窝状与开孔箱型结构组合撞击力-时间曲线；

具体实施方式

该列车碰撞承载吸能部件碰撞阈值实现方法可用于现有高速列车的车辆碰撞防护组件的设计与应用，该实现方法包括：在列车车体的端部设置承载吸能结构；对列车车体端部的承载吸能结构上设置结构开孔，利用该结构开孔来实现碰撞阈值。如图1所示和图2所示，在列车正常运行条件下，承载吸能结构I作为结构承载用，具有良好的传递纵向力性能；在发生撞击事故时，产生塑性大变形吸收能量。可以根据轴向压缩下应力集中系数与开孔的长径比、孔径与板宽比关系，控制所述结构开孔的数量、孔径、长度以及承载吸能结构的厚度的板厚，控制碰撞阈值。

该在承载吸能结构主要是利用撞击发生时截面突变导致的局部应力集中效应，在纵向力的作用下开孔周围区域的应力急剧增加、首先发生局部屈曲失稳的原理，诱导结构在开孔处产生塑性大变形。

如图2所示，以宽度为2B的薄板，中心开设一直径为2r，长度为2a的长形孔为例，在轴向压缩时，其应力集中系数与孔的长径比a/r、孔径与板宽比r/B有关。从图3中可以看出，当长径比a/r在1-4的范围内变化时，随着长径比的增加，应力集中系数减小，当长径比大于4之后，应力集中系数基本保持恒定；随着径宽比r/B的增加，应力集中系数也在减小，但径宽比r/B越大，意味着薄板的开孔面积越大，对应结构的名义应力也越大。图4A、图4B和图4C是开孔箱型梁结构的撞击序列变形图。由此可见，通过控制孔径、孔的长度、板厚，即可实现其碰撞阈值。

在撞击初期，由于孔对结构纵向刚度的削弱效应，在两个开孔径最大的截面位置，箱形结构的两侧壁对称地向外侧发生了轻微程度的折曲，形成了两个塑性铰，随着碰撞的进行，靠近冲击端的第一个开孔位置的结构围绕第一个塑性铰发生了剧烈的纵向压缩变形，此时第二个开孔位置的变形基本保持稳定，在第一个开孔位置被充分压缩之后，第二个开孔位置开始产生纵向压溃变形。

由于开孔结构是一种缺陷结构，对于结构的静强度和冲击动强度都有削弱效应，相比于结构的静强度，结构的冲击动强度更为敏感。但是在对承载结构进行开孔设计时必须充分考虑到结构静强度的承载要求。

从图4E的开孔结构的撞击力-时间曲线上可以看到，由于上下盖板的面内开孔，大大削弱了结构的初始纵向刚度，初始撞击力峰值仅为400.74KN，当开孔位置侧壁发生屈曲后，结构撞击力迅速降低，直至该孔被充分压缩后阻抗才会略微增加。

虽然大变形力学性能不太理想，但是该结构有如下两个非常鲜明的功能：

(a)结构大变形模式可控，压缩行程也比较大(近乎于开孔孔径)；

(b)可以明确控制产生大变形的部位。

实际应用中，可将结构开孔与车体端部的专用吸能部件组合使用，实现碰撞阈值。例如，将六方格蜂窝状吸能结构与开孔箱型结构组合，将开孔纵向吸能结构布置在缓冲梁与底架端梁之间，六方格蜂窝状吸能结构一端用螺栓固结在底架端梁上，另一端与缓冲梁留有一定间隙。在正常运行情况下，蜂窝状结构不承受纵向力；在高速撞击情况下，首先是开孔结构梁受到纵向挤压，在开孔处产生屈曲，结构撞击力下降，此时蜂窝状结构与缓冲梁接触，专用吸能结构与纵向吸能梁一起产生皱褶变形，在碰撞过程中，一方面利用纵向吸能梁来控制变形的顺序和部位，另一方面利用六方格蜂窝状吸能结构接近定常的力学性能来充分吸收冲击动能。

图4F为开孔结构与六方格铝蜂窝材料进行组合以后的撞击力-时间曲线，随着六方格铝蜂窝材料的压缩，撞击力缓慢上升，可以看到结构比吸能大幅提高，载荷效率达到了67.46％，是非常理想的吸能结构。如下表1为开孔结构和开孔组合结构的吸能特性参数对照表。

表1开孔结构和开孔组合结构的吸能特性参数

Claims (4)

1.一种列车碰撞承载吸能部件碰撞阈值实现方法，其特征在于所述实现方法包括：

在列车车体的端部设置承载吸能结构；

对列车车体端部的承载吸能结构上设置结构开孔，利用该结构开孔来实现碰撞阈值。

2.根据权利要求1所述的列车碰撞吸能部件碰撞阈值实现方法，其特征在于所述实现方法进一步包括：

根据轴向压缩下应力集中系数与开孔的长径比、孔径与板宽比关系，控制所述结构开孔的数量、孔径、长度以及承载吸能结构的厚度的板厚，控制碰撞阈值。

3.根据权利要求1所述的列车碰撞吸能部件碰撞阈值实现方法，其特征在于所述实现方法进一步包括：

将结构开孔与车体端部的专用吸能部件组合使用，实现碰撞阈值。

4.根据权利要求3所述的列车碰撞吸能部件碰撞阈值实现方法，其特征在于所述组合使用包括：

结构开孔设置在开孔箱型结构上形成开孔纵向吸能结构，该开孔纵向吸能结构布置在缓冲梁与底架端梁之间，所述专用吸能部件为六方格蜂窝状吸能结构，该六方格蜂窝状吸能结构的一端固结在底架端梁上，另一端与缓冲梁间隙设置。

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